Nuevo procedimiento de diseño de cavidades multimodo con agitadores de modo

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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE

TELECOMUNICACIÓN

PROYECTO FIN DE CARRERA

Nuevo procedimiento de diseño de

cavidades multimodo con agitadores de

modo

Autor: Antulio Marín Pagán

DNI: 23043907T

Director del Proyecto: Juan Monzó Cabrera

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A mi tutor Juan Monzó por su gran ayuda y paciencia, A mis amigos y compañeros de carrera, A mi familia y muy especialmente a mis padres,

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Autor Antulio Marín Pagán Correo electrónico [email protected]

Director Juan Monzó Cabrera Correo electrónico [email protected]

Co-Director Correo electrónico

Título

NUEVO PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE CAVIDADES MULTIMODO CON AGITADORES DE MODO

Descriptores Stirrer o agitadores de modo, Uniformidad en la temperatura, Estructuras

Multimodo, Calentamiento por Microondas.

Resumen

En este proyecto, se presenta una herramienta para mejorar la distribución del campo eléctrico en una cavidad multimodo rectangular. Esta herramienta o dispositivo es conocido como agitador de modos o stirrer.

El objetivo principal del proyecto es la optimización de la eficiencia energética de cavidades rectangulares de microondas que contienen elementos móviles. Esta optimización se realiza con algoritmos genéticos. Para ello este proyecto consta de dos fases. En la primera fase, se pretende conseguir que S11 se encuentre por debajo de -20dB o al menos por debajo de -10dB sin mover el

stirrer dentro de la cavidad rectangular. En la segunda fase, por el contrario, se pretende que

rotando el stirrer con distintos ángulos de inclinación, comprobar si se obtienen unos niveles de optimización adecuados. Por último se verificará que para una cavidad de menor proporción respecto a la cavidad optimizada, se sigan manteniendo buenos niveles de optimización.

El resultado ha sido bastante satisfactorio, pues hemos conseguido, con el diseño de la cavidad y el

stirrer, los objetivos marcados de lograr unos buenos resultados de uniformidad sobre los límites

marcados.

Titulación Ingeniería Superior de Telecomunicaciones

Departamento Tecnologías de la Información y Comunicaciones

Fecha de presentación

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Contenido

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CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN... 1

1.1 INTRODUCCIÓN ... 1

1.2 MOTIVOS Y FASES DEL PROYECTO ... 2

CAPÍTULO 2: FUNDAMENTOS TEÓRICOS... 3

2.1 HORNO DE MICROONDAS ... 3

2.1.1 Funcionamiento ... 3

2.1.2 Estructura de un horno de microondas ... 4

2.1.3 Stirrer o agitador de modos ...10

2.2- ALGORITMOS GENÉTICOS ...12

2.2.1 Fundamentos de los Algoritmos Genéticos ...12

2.2.2 Procedimiento de los algoritmos genéticos ...14

2.3- PARAMETROS DE DISPERSION (Scattering Parameters (S)) ...15

CAPÍTULO 3: HERRAMIENTA DE TRABAJO CST MICROWAVE STUDIO ...20

3.1- INTRODUCIÓN A CST MICROWAVE STUDIO ...20

3.2- PROYECTO GENERAL ...21

3.2.1 – MACRO con CST ...25

3.3- ESTRUCTURAS SIMULADAS ...26

3.3.1 Optimización del proyecto ...33

CAPÍTULO 4: RESULTADOS ...37

4.1 INTRODUCCIÓN ...37

4.2 OPTIMIZACIÓN DE PARÁMETROS Y RESULTADOS ...37

4.2.1 Efecto del agitador de modos al rotar ...41

4.3 REPRESENTACIÓN EN MATLAB DE S11 Y EL CAMPO ELÉCTRICO DEL STIRRER AL ROTAR ...43

4.4.1 Representación del coeficiente de reflexión o S11 ...43

4.4.2 Representación eficiencia promedio ...46

4.4.3 Representación campo eléctrico ...47

4.5 ESTUDIO DE UNA CAVIDAD MENOR ...48

4.5.1 Introducción ...48

4.5.2 Resultados ...49

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ...54

CAPÍTULO 6: BIBLIOGRAFÍA ...55

CAPÍTULO 7: ANEXO...56

ANEXO 1– MACRO CST Campo Eléctrico ...56

ANEXO 2 – Aplicación en MATLAB para representar el módulo S11 por tramos ...58

ANEXO 3 – Aplicación MATLAB para representar el módulo del coeficiente de reflexión o S11 ...60

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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

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CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN

Desde que se inventó el horno microondas, después de la Segunda Guerra Mundial, esta tecnología no ha parado de evolucionar ya que constituye una alternativa limpia, eficaz, rápida y controlable respecto a otras alternativas de calentamiento en la industria. Sectores tales como el de medicina, alimentación, textil o farmacéutico se benefician de las ventajas del uso de los hornos microondas. Un horno de microondas funciona pasando la radiación no ionizante de microondas, normalmente a la frecuencia de 2,45 GHz a través del material. La radiación de microondas está entre las frecuencias de radio común y de infrarrojos. El agua, grasas y otras sustancias presentes en los materiales absorben la energía de las microondas en un proceso llamado calentamiento dieléctrico. En el caso de los alimentos, como la mayor parte contienen un porcentaje de agua, las ondas de microondas hacen vibrar o rotar las moléculas de agua. Al rotar, las moléculas chocan con otras y las ponen en movimiento, dispersando así la energía. Esta energía, cuando se dispersa como vibración molecular en sólidos y líquidos (tanto como energía potencial y como energía cinética de los átomos), lo hace en forma de calor.

Los hornos de microondas industriales se basan en el concepto mencionado anteriormente de calentamiento por microondas. Estos hornos consisten en una cavidad alimentada por magnetrones de fuentes de microondas, incluyendo distintos materiales en el interior de la cavidad. La cavidad está compuesta por un puerto de entrada y otro de salida para introducir los materiales, normalmente por medio de una cinta transportadora.

Un aspecto muy importante para conseguir el máximo rendimiento de los hornos de microondas industriales es crear un alto grado de uniformidad en el calentamiento de la muestra o material. Para ello, el sistema puede incorporar elementos móviles en el interior de la cavidad que bien desplacen el producto (por ejemplo, platos giratorios), bien modifiquen las condiciones de contorno de la cavidad y provoquen la excitación de distintos modos electromagnéticos en función del tiempo (agitadores de modos o stirrers). En ambos casos, dado que resulta difícil obtener una distribución del campo eléctrico homogéneo a lo largo del producto, se pretende que en media temporal esta distribución de campo sí se aproxime a una homogénea.

En este trabajo, se presenta una herramienta rápida para mejorar la uniformidad de la distribución de campo eléctrico en cavidades multimodo. La herramienta recurre al análisis “full-wave” de dispositivos en guía de onda para geometrías rectangulares, y la optimización se realiza con algoritmos genéticos. Con este sistema, es posible encontrar dimensiones óptimas de las guías que excitan al aplicador y la propia cavidad de microondas para generar la distribución de temperatura más uniforme posible en el material.

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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

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1.2 MOTIVOS Y FASES DEL PROYECTO

El principal objetivo del proyecto es el estudio, diseño y optimización de una cavidad multimodo rectangular con agitadores de modos (también conocido como stirrer) para hornos de microondas industriales con el objetivo de conseguir la mayor uniformidad en el calentamiento de la muestra o material.

Existe una necesidad en el diseño de hornos de microondas industriales para conseguir hornos con la mayor eficiencia energética. O lo que es lo mismo el de conseguir el mayor grado de uniformidad en el calentamiento del material o muestra que forme parte del proceso de calentamiento. Para lograrlo en este proyecto se estudiará el uso de un tipo de elementos móviles en el interior de la cavidad rectangular multimodo conocidos como agitadores de modos o stirrer. Este dispositivo cambia las condiciones de contorno del campo eléctrico consiguiendo unos mejores resultados que en condiciones normales.

Por logar estos objetivos, es necesario estudiar el campo eléctrico y el coeficiente de reflexión S11 que varían según el ángulo de inclinación que se le da al stirrer. Por ello, la primera fase del proyecto consistirá en lograr un diseño optimizado de la cavidad rectangular así como del stirrer que depare unos resultados óptimos en el parámetro de reflexión cuyo módulo debe estar por debajo de -20dB o al menos por debajo de los -10dB en el rango de frecuencias 2.4 a 2.5 GHz. Una vez conseguido el diseño más óptimo de los componentes, se rotará el stirrer con diferentes inclinaciones verificando que el resultado medio de cada una de las posiciones del stirrer sigue siendo óptimo para S11.

Por último, es necesario comprobar que el diseño de la cavidad rectangular no es un diseño único con el que se consigue optimización, sino que reduciendo proporcionalmente las medidas de la cavidad rectangular que se ha optimizado, es decir, para una cavidad menor se conseguirían resultados igualmente óptimos.

Ante la situación planteada, se va hacer uso de la herramienta CST MicroWave Studio. Este software es una herramienta especializada para la simulación de componentes en alta frecuencia en el que se utilizará el algoritmo genético como medio para conseguir el resultado más optimizado.

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CAPÍTULO 2: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

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CAPÍTULO 2: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1 HORNO DE MICROONDAS

2.1.1 Funcionamiento

El horno de microondas basa su funcionamiento en un dispositivo denominado "magnetrón"; las ondas de alta frecuencia (2.450 MHz) que genera el magnetrón, se emiten por una pequeña antena que lo complementa y se envían a la cavidad del horno a través de la guía de ondas.

Figura 1 – Estructura de un horno microondas

Las microondas existen a nuestro alrededor, son ondas electromagnéticas caracterizadas por su alta frecuencia, de menos de 1 metro de longitud y se encuentran dentro de la categoría de las ondas radioeléctricas. Están presentes en nuestra vida cotidiana en un gran variedad de actividades de distinta índole, siendo la más conocida la del horno de cocina, aunque también se encuentran en muchos aparatos siendo ignorada su presencia e importancia como el calentamiento de materiales, los sistemas de radar, televisión, radio, transmisión de datos a distancia, etc.

La base del calentamiento por microondas es el calentamiento por histéresis dieléctrica en el rango de frecuencias de 500 MHz a 25 GHz. El procedimiento consiste en someter a una radiación electromagnética a materiales no conductores que contienen iones o moléculas bipolares, de modo que sufran un calentamiento debido a la transformación de la energía radioeléctrica en energía térmica. Bajo la acción del campo magnético, las moléculas del material actúan como barritas magnéticas intentando polarizarse cambiando el sentido del campo a una frecuencia entre 300 MHz y 300 GHz. Esto produce la fricción interna entre las moléculas dando lugar al calentamiento del material. Una vez terminado el proceso, la temperatura que habrá en el interior del material será ligeramente superior a la que haya en el exterior. Esta es una de las características principales del

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calentamiento dieléctrico por microondas, el cual se produce principalmente en el interior del material de manera uniforme y rápida, experimentando una densidad de potencia bastante elevada. Otra de las características, es la localización del calentamiento en una zona precisa, consiguiendo un ahorro energético y de tiempo respecto a otras técnicas clásicas de calentamiento.

El uso de esta técnica en procesos industriales donde se requiere energía térmica, presenta serios problemas a la hora de utilizar materiales no conductores de corriente eléctrica, ya que no se puede aplicar el calentamiento por inducción electromagnética. En el caso de que el material tenga una baja conductividad térmica y una masa elevada, la penetración del calor desde la superficie es muy lenta por conducción térmica y, si se acelera el proceso aumentando la potencia, se produce fácilmente un sobrecalentamiento superficial que puede deteriorar el producto.

2.1.2 Estructura de un horno de microondas

El horno de microondas consta de 3 elementos principalmente: generador de microondas, guía de ondas y aplicador o cavidad de microondas.

2.1.2.1 Generador de microondas: el magnetrón

El magnetrón es un tubo electrónico que se comporta electrónicamente como un diodo que se emplea para producir los 2450 MHz de energía de microondas necesarios. El imán del magnetrón crea un campo magnético en el espacio que hay entre el ánodo y el cátodo. Las estructuras básicas internas son las mismas en todos los magnetrones, es decir, consta de ánodo, filamento, antena e imanes. Por el contrario, las configuraciones externas varían según la marca y modelo del magnetrón. La Figura 2 muestra la estructura del magnetrón indicando cada una de las secciones de las que se compone.

Figura 2 – Estructura del magnetrón

Cada una de las partes del magnetrón se encarga de las siguientes funciones:

- Ánodo: se trata de un cilindro de hierro hueco en el que se proyectan paletas hacia dentro

con un número de paletas siempre par, como se observa en la Figura 2. Para que la polaridad de los segmentos adyacentes sea opuesta, deben conectarse los segmentos alternos. Por eso las cavidades se encuentran en paralelo respecto a la salida. Para determinar la frecuencia de salida del tubo, las zonas abiertas en forma de trapecio de cada una de las paletas son las cavidades resonantes que sirven como circuitos sintonizados

Las zonas abiertas en forma de trapezoide entre cada una de las paletas son las cavidades resonantes que sirven como circuitos sintonizados y determinan la frecuencia de salida del

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tubo. El ánodo funciona de tal modo que los segmentos alternos deben conectarse, o sujetarse, para que cada segmento sea de polaridad opuesta a la de los segmentos adyacentes. De hecho, las cavidades se conectan en paralelo con respecto a la salida. La comprensión de lo anterior se facilita al considerar la descripción del funcionamiento.

- Filamento: se encuentra en el centro del magnetrón y se sostiene por medio de unas puntas

rígidas, selladas y blindadas puestas de forma cuidadosa en el interior del tubo. Su función es la de cátodo en el tubo.

- Antena: se trata de una proyección (círculo) conectado con el ánodo. A partir de este se

extiende por alguna de las cavidades sintonizadas y se acopla a la guía de onda hacia la que transmite la energía de microondas.

- El campo magnético: el campo es producido por unos imanes que se encuentran alrededor del magnetrón

.

Comportamiento en frecuencia del magnetrón

El magnetrón es un oscilador, de gran potencia, que bajo condiciones ideales posee una única frecuencia de resonancia. En teoría, la frecuencia de oscilación debería estar fijada muy cerca de la frecuencia central de la banda ICM (por ejemplo en 2.45 GHz para la banda de 2.4 a 2.5 GHz). Siendo así, habría más margen para que el magnetrón radiase dentro de esta banda aún a pesar del efecto producido por el ‘frecuency pulling’. Sin embargo, existen muchas evidencias en la literatura que dependiendo del fabricante la frecuencia de oscilación principal del magnetrón estará ubicada a otras frecuencias.

Esto tiene importantes consecuencias porque, a la hora de simular una estructura, el ingeniero previamente debe tener claro, bien con medidas bien con los datos de fabricante de cuál es la frecuencia de oscilación del magnetrón que usará en su horno final. De hecho, pequeños cambios en la frecuencia de oscilación pueden provocar diferencias notables en el comportamiento del horno de microondas.

En nuestro proyecto la frecuencia de trabajo se fija a 2.45GHz aunque los resultados a otras frecuencias nominales habituales de los magnetrones (2.46 y 2.47 GHz) son totalmente extrapolables.

2.1.2.2 Guía de ondas

En telecomunicaciones y electromagnetismo, una guía de onda es cualquier estructura física que guía ondas electromagnéticas. Se trata de tuberías metálicas huecas de sección transversal arbitraria (cuadrada, cilíndrica, elíptica...) que permiten transmitir las ondas electromagnéticas de forma confinada entre dos puntos distintos (por ejemplo, un generador y una antena).

La transmisión por guía de ondas tiene como objetivo reducir la disipación de energía. Por ello utilizan las frecuencias de microondas ya que presentan una baja atenuación en señales de alta frecuencia. EL guiado de las ondas se consigue debido a la conexión entre los campos y las cargas o corrientes en los contornos o bien por condiciones de reflexión en los límites. Las paredes conductoras del tubo confinan la onda al interior por reflexión, debido

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a la ley de Snell en la superficie, donde el tubo puede estar vacío o relleno con un dieléctrico. El dieléctrico le da soporte mecánico al tubo (las paredes pueden ser delgadas), pero reduce la velocidad de propagación

El material y la estructura a la hora de construir las guías de onda dependen de la frecuencia de las ondas que se quiera transportar. Para frecuencias del orden de las microondas son habitualmente sistemas abiertos o cerrados de conductores metálicos. Por otra parte, para frecuencias ópticas se utilizan guías de onda dieléctricas. Hay una gran variedad de dispositivos en guías de onda que se puedan realizar, como acopladores direccionales, filtros, etc.

Todas las estructuras en guía de onda presentan la característica común de que, para distintas configuraciones de los campos eléctrico y magnético (los llamados modos) a una frecuencia suficientemente alta, se pueden propagar simultáneamente, aunque con diferentes velocidades.

2.1.2.2.1 Modos de propagación en Guías de Onda

Mediante la resolución de las Ecuaciones de Maxwell se analizan las guías de ondas electromagnéticas. Es importante indicar que estas ecuaciones tienen múltiples soluciones o modos, siendo un modo una auto-función del sistema de ecuaciones. Un modo está caracterizado por un auto-valor, correspondiente a la velocidad de propagación axial de la onda en la guía en estudio como se muestra en la Figura 3 para el eje z. Los modos de propagación dependen de la longitud de la onda o frecuencia empleada, de la polarización y de las dimensiones de la onda.

Figura 3 – Guía de onda rectangular

Distinguimos entre modos longitudinales y modos transversales. El modo longitudinal introducido dentro de una guía de onda es una onda estacionaria particular formada por ondas confinadas en la cavidad de la guía. Por otro lado, los modos transversales en una guía de onda se clasifican en los siguientes tipos:

- Modos TE: es nula la componente del campo eléctrico en la dirección de

propagación.

- Modos TM: es nula la componente del campo magnético en la dirección de

propagación.

La guía de ondas tiene una frecuencia de corte por encima de la cual se propaga la energía electromagnética y por debajo de la cual se atenúa. Ésta queda determinada

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por las dimensiones de su sección transversal. Además, cualquier guía de ondas puede soportar un número infinito de modos, cada uno de los cuales teniendo su propia frecuencia de corte. La frecuencia de corte de una guía de onda, se utiliza para saber los modos que se propagarán. Su cálculo, para cada modo que se propaga por la estructura de sección rectangular (axb), se obtiene como indica en la siguiente ecuación.

= + (2.1)

Las guías de onda se suelen diseñar para que se propague un único modo a través de ellas. Se puede demostrar que éste es el de la frecuencia de corte más baja posible, correspondiéndose, en el caso de las guías con sección rectangular con el modo TE10. Para ello, debe cumplirse la relación:

≤ (2.2)

Los modos que se propagan son aquellos que tienen una frecuencia de corte menor a la frecuencia de trabajo de 2.45GHz y que son excitados por el sistema de radiación introducido en la guía de onda.

2.1.2.3 Aplicador a la carga

Se entiende por aplicador de microondas aquella parte del sistema en la cual se introduce la muestra a ser calentada. También se le suele denominar cavidad de microondas si bien existen aplicadores que no están basados en cavidades de microondas si no en guías de onda terminadas en cargas adaptadas.

El aplicador de microondas es el máximo responsable de dos cuestiones fundamentales en el proceso de calentamiento por microondas:

a) La eficiencia del proceso de calentamiento.

b) La uniformidad del perfil de temperaturas del material a ser calentado.

Por lo tanto, el diseño del aplicador de microondas es fundamental para conseguir un proceso de calentamiento eficiente y eficaz tanto en términos de energía como en la consecución de un producto de calidad elevada.

Así pues, podemos definir el aplicador de microondas como aquella estructura metálica que permite confinar la energía de microondas junto con el material a calentar y que es responsable de la eficiencia energética del proceso y de la uniformidad de calentamiento por microondas.

El aplicador de microondas debe cumplir los siguientes requisitos:

a) Debe adaptarse a las dimensiones físicas y eléctricas del material

b) Debe adaptarse al tipo de aplicación (continua, por lotes,...). En este caso los puertos de entrada/salida podrán modificarse en función del tipo de proceso

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d) Eficiencia energética: el horno deberá presentar la mayor eficiencia energética posible lo cual implica que las reflexiones y acoplos de las diferentes fuentes sean mínimas (es decir los parámetros Sii=Sij=0 para las diferentes fuentes de microondas).

e) Uniformidad de campo eléctrico: los perfiles de temperatura en el cuerpo calentado deberán ser constantes para lo cual será necesario que el campo eléctrico también lo sea a lo largo del material. Esto también puede implicar el uso de aire caliente o infrarrojos para nivelar la temperatura en la superficie.

f) Cumplir los requisitos económicos de las empresas:el horno final de microondas deberá, en la medida de lo posible, ajustarse al presupuesto de la empresa que desee adquirirlo. Raramente es posible contentar al comprador salvo reduciendo drásticamente la calidad del equipo construido.

g) Dimensionado de la potencia a usar: La potencia en el interior del aplicador es otro aspecto muy importante a considerar. De hecho, no es recomendable usar aplicadores muy pequeños con potencias muy grandes dado que el dieléctrico interno (aire) podría sufrir el fenómeno de arco voltaico lo cual dañaría el sistema. En general, se suele admitir que para aplicaciones de alta potencia (más de 100 kW) es más aconsejable usar aplicadores de radiofrecuencia frente a los hornos industriales. Éstos últimos no suelen tener más de 100kW.

Existen numerosos tipos de aplicadores que se eligen en función de la naturaleza de los productos en proceso y del modo de funcionamiento del equipo, continuo o intermitente.

Tipos de aplicadores de microondas

En general cuando se habla de aplicadores de microondas cabría hacer una primera división entre aplicadores basados en cavidades resonantes y aplicadores basados en guías de onda.

En el primer caso, la muestra es introducida en una cavidad metálica y el campo eléctrico será una combinación de los modos que resuenan en la misma en la frecuencia de uso del magnetrón. Estas cavidades podrán a su vez ser monomodo o multimodo.

• Los aplicadores basados en cavidades multimodo son los más usados en aplicaciones industriales. También el horno de microondas que tenemos en casa está basado en una cavidad multimodo. Las dimensiones de la cavidad son tales que a la frecuencia de trabajo coexistirán varios modos resonantes dentro del espacio delimitado por las paredes metálicas. El patrón de calentamiento vendrá dado por la geometría de la cavidad y la muestra así como de las propiedades dieléctricas de la misma.

Generalmente dentro de las cavidades multimodo se usarán técnicas de uniformización de campo basadas bien en el movimiento de la muestra a calentar bien en el uso de agitadores de modos como es en el caso de este proyecto.

• Cuando las muestras son pequeñas, lo cual suele suceder en estudios a nivel de laboratorio, es posible usar cavidades más pequeñas que únicamente permiten la existencia de un modo resonante.

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Por lo tanto, el tamaño de la muestra debe ser reducido hasta que se compruebe que está posicionado en el entorno de un máximo y que el campo eléctrico es más o menos constante.

Pasamos a continuación a describir las principales características de estos tipos de hornos o aplicadores.

2.1.2.3.1 Cavidades rectangulares multimodo

El aplicador de microondas más usado es el multimodo rectangular, en la Figura 4 se muestra un ejemplo. Es fácil de construir, y acepta gran cantidad de tipos de cargas y materiales.

Figura 4 – Esquema cavidad rectangular

Es, sencillamente, una caja metálica con una alimentación cuyas dimensiones son varias longitudes de ondas en ambas dimensiones. Contiene múltiples modos o soluciones en su interior a una frecuencia dada. Dichos modos cambian su frecuencia y su selectividad al introducir un dieléctrico en el interior.

Los modos TElmn y TMlmn que se pueden dar en esta cavidad cumplen con la igualdad:

( ) + ( ) + ( ) = ( ) (2.3) siendo l, n, m números enteros; c velocidad de la luz y ωlmn es la frecuencia angular de resonancia de cada modo.

En general dadas unas dimensiones del horno interesa conocer cuál será la distribución de campo eléctrico en su interior para:

a) Colocar el material en una zona con máximos de campo eléctrico lo que provocaría una máxima eficiencia.

b) Conseguir una distribución de campo promedio uniforme en la muestra.

El campo eléctrico permanecerá fijo si no existe variación en la geometría de la cavidad. Por lo tanto, en ausencia de movimiento de la muestra, o cambios geométricos en la cavidad, la distribución de campo eléctrico será igual a lo largo del tiempo. Esto indica que habrá zonas en la cavidad con máximos de campo eléctrico y otras zonas con campo eléctrico nulo.

Mediante la elección adecuada de las dimensiones del horno se puede obtener una densidad espectral de modos apreciable en función del espectro de la fuente. Esto

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podría llevar a una distribución de energía de microondas más uniforme que en el caso de las cavidades monomodo.

Desafortunadamente, el encontrar expresiones cerradas o analíticas para la distribución de campo eléctrico en el interior de una cavidad multimodo sólo es posible para el caso de cavidades rectangulares vacías (sin muestra ni cinta de transporte…). Además, las expresiones obtenidas no nos aseguran que el modo en la cavidad vacía vaya a estar presente en la cavidad porque este último extremo dependerá de dónde y cómo coloquemos la fuente de microondas en la cavidad. Por lo tanto, cuando se quiere conocer el campo eléctrico en el interior de un aplicador multimodo con muestra, línea de transporte, etcétera, es necesario recurrir a métodos numéricos.

Además para mejorar la uniformidad de calentamiento (asociada a la distribución de campo) se utilizan fundamentalmente dos estrategias:

 Movimiento de la muestra en el interior de la cavidad. − Giro (como en hornos domésticos).

− Desplazamiento de la muestra a lo largo de la cavidad (producción continua).

 Movimiento de elementos metálicos (agitadores de modos o mode stirrers). La gran ventaja de este tipo de cavidades es que, debido a que existen múltiples modos presentes en la misma no existen grandes problemas de desadaptación cuando la muestra cambia sus propiedades o posición dentro de la cavidad, lo cual es habitual.

2.1.3Stirrer o agitador de modos

El stirrer consiste generalmente en un reflector metálico colocado en el interior de la cavidad. Este

objeto perturba la distribución instantánea del campo eléctrico. También modifican las condiciones de contorno de la cavidad y provocan la excitación de distintos modos electromagnéticos en función del tiempo.

El stirrer se mueve (normalmente se trata de un movimiento de rotación) en diferentes

orientaciones con el fin de producir campos que son uniformemente aleatorios en tiempo y espacio, logrando cambios en las condiciones de contorno. Por uniformemente aleatorios, se entiende que cada posición dentro del volumen tiene el mismo máximo e intensidad de campo promedio en el tiempo. La Figura 5 muestra un ejemplo de estructura del stirrer.

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Otra opción muy utilizada en los hornos microondas industriales, y también en los domésticos, es el movimiento de la muestra bien de forma lineal (como sucede habitualmente en hornos industriales) o de forma circular (lo cual es más habitual en procesos por lotes y hornos domésticos).

Se debe indicar que la uniformidad de calentamiento es el aspecto principal que determina la calidad final del procesamiento por microondas por lo que debe cuidarse incluso por encima de otros aspectos tales como la eficiencia si elproceso lo requiere. Para conseguir la uniformidad, el

stirrer es una gran forma de conseguirlo.

Cuando se produce el movimiento de la muestra o de los agitadores de modos, el patrón de campo eléctrico en el interior del cuerpo a calentar será diferente para cada posición. Si consideramos i la posición i‐ésima del agitador de modos dentro del aplicador, N el número total de posiciones recorridas por el agitador de modos y Ei(x,y,z) la distribución espacial del módulo de campo eléctrico para la posición i‐ésima, se puede hallar la distribución de campo eléctrico promedio en la muestra a través de la ecuación.

= (∑ ( ( , , ) ) (2.4)

Dicha ecuación supone un promedio lineal de la potencia absorbida por la muestra en cada posición lo cual implica un promedio lineal del cuadrado del módulo del campo eléctrico.

Una vez calculado el campo promedio la pregunta es, ¿qué factor me puede indicar si dicha distribución de campo eléctrico es adecuada? Una primera aproximación sería realizar una inspección visual de la distribución espacial de campo eléctrico y localizar la existencia de mínimos/máximos de campo eléctrico acusados.

Otra aproximación más rigurosa es el empleo de indicadores estadísticos que permitan saber la variabilidad del campo eléctrico en el interior de la muestra. En las siguientes ecuaciones se muestran distintos indicadores con su explicación.

= | ax|−| | (2.5)

La ecuación muestra como indicador de uniformidad (IU) el uso de la diferencia del valor del módulo del campo eléctrico máximo y mínimo para conocer la uniformidad. Cuanto menor sea dicha diferencia mejor uniformidad existirá en el material. El problema de este tipo de indicador es que no tiene en cuenta si dichos valores son puntuales o si bien se extienden a zonas mayores del material. Además la existencia de campos eléctricos muy pequeños puede dar soluciones, que si bien sean adecuadas desde el punto de vista de uniformidad pueden no serlo desde el punto de vista de la eficiencia de calentamiento.

Por otro lado la siguiente ecuación muestra el uso de la desviación estándar como IU.

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Donde Epromedio indica el valor de campo eléctrico promedio de la distribución para la muestra, N es el número de puntos donde se evalúa el campo eléctrico y Ei es el valor del punto eléctrico en el punto i de la distribución de campo eléctrico.

En este caso se evalúa toda la distribución de campo eléctrico disponible en la muestra. Valores bajos de la desviación estándar proporcionarán buenos resultados de uniformidad. El problema de nuevo con este tipo de indicador es que puede proporcionar soluciones con alta uniformidad pero a costa de tener bajos niveles de campo eléctrico.

Para conseguir evitar la anterior situación se puede usar la varianza dividida por el campo promedio en la muestra. De esta forma si el campo promedio es bajo penalizará esta función de evaluación y valores altos de campo promedio bajarán el valor del IU con lo que indicarán mejor uniformidad. La ecuación muestra este criterio de uniformidad.

= = ∑ ( ) (2.7)

En el estudio de uniformidad, también es necesario conocer el comportamiento del coeficiente de reflexión S11 a lo largo del rango de frecuencias. En nuestro proyecto es de 2.4 a 2.5 GHz. Para ello se calcula el coeficiente de reflexión promedio de las N posiciones del stirrer con la siguiente ecuación:

=∑ | | (2.8)

En último lugar, se debe asegurar que la eficiencia de los hornos sea alta para que no se desperdicie la energía reflejándose de vuelta hacia el magnetrón o acoplándose entre las diferentes fuentes de energía de microondas. El magnetrón es el elemento ideal para generar este calor debido a que presenta una gran estabilidad en frecuencia y porque tienen una eficiencia aceptable (del orden del 60‐70 %). Cuando el coeficiente de reflexión disminuye, la eficiencia de potencia es máxima. La ecuación siguiente muestra cómo están relacionados el coeficiente de reflexión promedio S11 y la eficiencia promedio:

(%) = (1−| | ) 100 (2.9)

2.2- ALGORITMOS GENÉTICOS

2.2.1 Fundamentos de los Algoritmos Genéticos

Un algoritmo es una serie de pasos organizados que describe el proceso que se debe seguir, para dar solución a un problema específico. En los años 1970, de la mano de John Henry Holland, surgió una de las líneas más prometedoras de la inteligencia artificial, la de los algoritmos genéticos. Son llamados así porque se inspiran en la evolución biológica y su base genético-molecular. Estos algoritmos hacen evolucionar una población de individuos sometiéndola a acciones aleatorias semejantes a las que actúan en la evolución biológica (mutaciones y recombinaciones genéticas), así como también a una selección de acuerdo con algún criterio, en función del cual se decide cuáles son los individuos más adaptados, que sobreviven, y cuáles los menos aptos, que son descartados. Es incluido dentro de los algoritmos evolutivos, que incluyen también las estrategias evolutivas, la

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13 programación evolutiva y la programación genética.

Los algoritmos genéticos son métodos sistemáticos para la resolución de problemas de búsqueda y optimización que aplican a estos los mismos métodos de la evolución biológica: selección basada en la población, reproducción sexual y mutación. Son algoritmos muy efectivos en problemas complejos donde el objetivo es encontrar un máximo o un mínimo global cuando existen varios máximos o mínimos locales en el espacio de soluciones.

Se basan en dos principios básicos: En primer lugar, la codificación de los individuos de la población en cromosomas, conteniendo cada cromosoma tantos genes como parámetros a optimizar tenga el problema. Normalmente se representan los genes mediante parámetros reales. En segundo lugar, la ejecución de una serie de operadores genéticos inspirados en las leyes de la genética para ir mejorando las poblaciones (conjuntos de soluciones).

Los algoritmos genéticos se inician con la creación de la población de individuos inicial (soluciones) de manera aleatoria. A continuación, mediante alteraciones aleatorias de la población (cruzamiento y/o mutación) se genera descendencia. Posteriormente, se evalúan las características de cada individuo con respecto a la función objetivo y a las restricciones del problema, y en función de su adaptación al ambiente, compiten en un proceso de selección. Finalmente, los individuos más aptos quedan como los progenitores de la siguiente generación y el proceso se repite hasta que se cumple una condición de finalización determinada, que suele ser la convergencia del algoritmo genético o un número de generaciones establecido.

En resumen, un algoritmo genético consiste en lo siguiente: hallar de qué parámetros depende el problema, codificarlos en un cromosoma, y aplicar los métodos de la evolución: selección y reproducción sexual con intercambio de información y alteraciones que generan diversidad. En las siguientes secciones se verán cada uno de los aspectos de un algoritmo genético. La Figura 6 muestra la representación gráfica del proceso que tiene lugar en el algoritmo genético:

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14 2.2.2 Procedimiento de los algoritmos genéticos

Tal y como se muestra en la figura 6 el esquema seguido por los algoritmos genéticos sigue los siguientes pasos básicos:

 Generación de la población inicial: Es el primer paso a realizar en los algoritmos genéticos, y consiste en crear un conjunto inicial de soluciones (población) de manera aleatoria, aunque en ocasiones se incluyen soluciones con algún material cromosómico en particular. Ésta última técnica, asegura, en general, una convergencia más rápida, pero se corre el riesgo de perder diversidad en la población, lo que puede llevar a una convergencia prematura del algoritmo. Se debe especificar además un tamaño de la población suficiente para garantizar la diversidad de las soluciones.

 Evaluación de la función de adaptación: A cada uno de los individuos de esta población se le aplicará la función de aptitud para saber qué tan "buena" es la solución que se está codificando. Se decodifica el gen, convirtiéndose en una serie de parámetros de un problema, se halla la solución del problema a partir de esos parámetros, y se le da una puntuación a esa solución en función de lo cerca que esté de la mejor solución. A esta puntuación se le llama fitness. El fitness determina siempre los cromosomas que se van a reproducir, y aquellos que se van a eliminar.

 Selección y Reemplazo de los individuos a reproducir: Los individuos de la nueva población corresponderán a aquellas soluciones que hayan sobrevivido al proceso de selección. Una vez evaluado el fitness, se tiene que crear la nueva población teniendo en cuenta que los buenos rasgos de los mejores se transmitan a esta. Para ello, hay que seleccionar a una serie de individuos encargados de tan ardua tarea. De esta forma, el fitness determina los individuos de la población que obtienen soluciones más exitosas, y que por tanto se van a reproducir, y por otro lado, elimina los individuos que obtienen las peores soluciones de acuerdo al criterio de selección.

 Cruce o crossover: Consiste en el intercambio de material genético entre dos cromosomas (a veces más). El crossover es el principal operador genético, hasta el punto que se puede decir que no es un algoritmo genético si no tiene crossover, y, sin embargo, puede serlo perfectamente sin mutación. Para aplicar el cruce, entrecruzamiento o recombinación, se escogen aleatoriamente dos miembros de la población. No pasa nada si se emparejan dos descendientes de los mismos padres; ello garantiza la perpetuación de un individuo con buena puntuación. Sin embargo, si esto sucede demasiado a menudo, puede crear problemas ya que toda la población puede aparecer dominada por los descendientes de algún gen, que, además, puede tener caracteres no deseados. Esto se suele denominar en otros métodos de optimización como atranque en un mínimo local, y es uno de los principales problemas con los que se enfrentan los que aplican algoritmos genéticos.

 Mutación: En la evolución una mutación es un suceso bastante poco común (sucede aproximadamente una de cada mil replicaciones). En la mayoría de los casos las mutaciones son letales, pero en promedio, contribuyen a la diversidad genética de la especie. En un algoritmo genético tendrán el mismo papel, y la misma frecuencia (es decir, muy baja). Una vez establecida la frecuencia de mutación, por ejemplo, uno por mil, se examina cada bit de cada cadena cuando se vaya a crear la nueva criatura a partir de sus padres (normalmente se

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hace de forma simultánea al crossover). Si un número generado aleatoriamente está por debajo de esa probabilidad, se cambiará el bit (es decir, de 0 a 1 o de 1 a 0). Si no, se dejará como está. Dependiendo del número de individuos que haya y del número de bits por individuo, puede resultar que las mutaciones sean extremadamente raras en una sola generación.

Además un algoritmo genético tiene también una serie de parámetros que se tienen que fijar para cada ejecución:

- El tamaño de la población: debe de ser suficiente para garantizar la diversidad de las soluciones, y, además, tiene que crecer más o menos con el número de parámetros del individuo, aunque nadie ha aclarado cómo tiene que hacerlo. Por supuesto, depende también del ordenador en el que se esté ejecutando. Conforme el tamaño de la población aumente más posibilidades existirá de converger a la solución óptima pero esto se hace a costa de incrementar el tiempo de simulación durante el proceso de optimización.

- Condición de terminación: lo más habitual es que la condición de terminación sea la convergencia del algoritmo genético o un número prefijado de generaciones.

En este PFC los parámetros elegidos para los procesos de optimización han sido: 141 generaciones, con 4x7 individuos, un crossover o máximo número de iteraciones de 9 y de mutaciones igual al 60%.

La herramienta de optimización por algoritmos genéticos está integrada dentro del programa de simulación electromagnético CST Microwave Studio como comentaremos en el capítulo 3, por lo que únicamente ha sido necesario parametrizar los diseños de las cavidades a optimizar y configurar aquellos parámetros a ser optimizados así como las metas de optimización y los parámetros generales del algoritmo genético: población, generaciones, cruces, etcétera.

2.3- PARAMETROS DE DISPERSION (Scattering Parameters (S))

Los sistemas de guías de ondas y cavidades resonantes eran analizados, en un principio, por su descripción electromagnética, pero según vamos aumentando la frecuencia, la longitud de onda se va haciendo cada vez más pequeña, por lo que las leyes de Kirchoff dejan de tener validez. Además, trabajar con tensiones y corrientes se hace más difícil cada vez, ya que dependiendo de la frecuencia en la que estemos, se hace imposible hacer cortocircuitos y circuitos abiertos estables. La teoría de circuitos de microondas surgió ante la necesidad de estudiar, de una manera más sencilla, este tipo de sistemas.

La combinación de los distintos modos, con propagación positiva y negativa, que se propagan a lo largo de un guía de onda se puede caracterizar mediante los “Parámetros S” (Scattering) o matriz de dispersión. Estos parámetros permiten caracterizar los circuitos en la banda de microondas.

Se considera una red de microondas conectada al exterior mediante N accesos o líneas de transmisión. Debe definirse un plano de referencia en el que se consideran las ondas de tensión

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normalizadas en ai (dirección entrante al circuito) y bi (en dirección saliente al circuito) así, la matriz de dispersión del circuito de microondas permitirá relacionar las citadas ondas de tensión normalizadas incidentes y reflejadas.

Un circuito de microondas se conecta con el exterior mediante líneas de transmisión que se denominan accesos o puertos. Para poder caracterizar el circuito, se deben medir las ondas de tensión y corriente para cada puerto, habiendo fijado con anterioridad un plano de referencia. (Se dirá que una corriente es positiva si se dirige hacia la red). De esta forma, se caracterizará una red de N puertos mediante las 2N variables (Vi,Ii), de las cuales, la mitad son independientes. Se pueden observar la red de N puertos y sus respectivas variables en la Figura 7.

Figura 7 – Red de N accesos

Generalmente, una red se describe a través de sus matrices de impedancias [Z] o admitancias [Y], tal y como indican las ecuaciones siguientes:

[ ] = [ ]∙[ ] (2.10)

[ ] = [ ]∙ ⌈ ⌉ (2.11)

Siendo, [ ] = [ ]

Sin embargo, a frecuencias de microondas las matrices [Z] e [Y], presentan grandes inconvenientes, que no hacen su uso apropiado, ya que,

 Un desplazamiento de los planos de referencia de los puertos, produce cambios en los valores de corriente y tensión, y por tanto, modificaciones profundas en la forma de las matrices [Z] e [Y].

 Es difícil producir buenos circuitos abiertos para poder medir adecuadamente los elementos Zij e Yij.

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irreversibles, oscilaciones u otros efectos indeseados en el circuito.

Si se utilizan las amplitudes de las ondas positiva y negativa de tensión en los planos de referencia para describir la red, en lugar de utilizar tensiones y corrientes, se elimina los inconvenientes anteriores. De esta manera, se disponen también de 2N variables V+i, V− i, i = 1, 2…N, relacionadas linealmente con los Vi, Ii, i = 1, 2…N; según las ecuaciones siguientes:

= + (2.12)

= ( + ) (2.13)

Como convenio, se manejaran valores normalizados de tensiones y corrientes:

= = = ∙ (2.14)

= = = ∙ (2.15)

= ∙ = = (2.16)

= ∙ =− =− (2.17)

De manera que se tiene:

= ∙ (2.18)

= ∙ (2.19)

Sustituyendo en las ecuaciones, se obtiene que:

= ∙( + ) = + (2.20)

= ∙ ( − ) = − (2.21)

Resultando que:

= = | | = (2.22)

= = | | = (2.23)

Finalmente, en función de estas variables se define la matriz de dispersión, [S], mediante la relación: ⋮ = ⋯ ⋮ ⋱ ⋮ ⋯ ∙ ⋮ (2.24)

Donde se observa que [b] y [a] representan los vectores columna de dimensiones Nx1 cuyas componentes son, respectivamente, ondas salientes bi y entrantes ai del circuito bajo estudio, mientras que S designa a la matriz de parámetros de dispersión de dicho circuito, que será de tamaño NxN.

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La matriz de dispersión, proporciona las amplitudes normalizadas de las ondas negativas o reflejadas ([b]) en función de las amplitudes de las ondas positivas o incidentes ([a]).

Si nos fijamos en la fila j-ésima:

= + +⋯+ +⋯ (2.23)

Según la definición, los elementos Sji, también llamados parámetros S, vienen dados por la expresión (2.16) y (2.17). = ( ) = ( ) (2.24)

Para conseguir la condición ak = 0 en el k-ésimo acceso (es decir, el acceso k-ésimo está terminado, la carga se encuentra adaptada a la línea), se debe situar en algún plano del mismo una resistencia de valor igual a la impedancia característica de la línea. Esto se puede observar en el esquema de red de N puertos de la Figura 8. Los parámetros S tienen por tanto, el siguiente significado:

 Sii es el coeficiente de reflexión visto desde el plano de referencia i-ésimo cuando se sitúa en este acceso un generador y todos los demás accesos están terminados.

 Sji es el coeficiente de transmisión (señal saliente en el plano de referencia j dividida por señal entrante en el plano de referencia i en la misma situación anterior, es decir con un generador en el acceso i y todos los demás terminados.

Figura 8 – Significado de Sii y Sji

Se puede comprobar que los inconvenientes del uso de matrices de impedancias y admitancias quedan solventados, ya que en este caso:

 Un desplazamiento de planos de referencia produce solamente cambios de fase de las ondas positivas y negativas, y por lo tanto solamente cambios de fase en los valores Sij.

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 La condición de acceso terminado es independiente del plano donde se sitúe la terminación.  Por lo que se refiere a dispositivos activos, la medida se realiza en condiciones de carga

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CAPÍTULO 3: HERRAMIENTAS DE TRABAJO CST MICROWAVE STUDIO

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CAPÍTULO 3: HERRAMIENTA DE TRABAJO

CST MICROWAVE STUDIO

3.1- INTRODUCIÓN A CST MICROWAVE STUDIO

En este capítulo se exponen la herramienta de trabajo CST Microwave Studio que ha sido usada en el proyecto “Nuevo procedimiento de diseño de cavidades multimodo con agitadores de modo”. Además, se explicarán algunos de los conceptos importantes relacionados con el programa usado. No obstante, no se explicarán detalladamente todas las funciones de las que el programa dispone, ya que en “Ayuda” dispone de un extenso manual detallando su funcionamiento. Estará centrado en aquellas herramientas de carácter importante y que han sido utilizadas durante el desarrollo del proyecto.

CST Microwave Studio, es una herramienta especializada para la simulación de componentes en alta frecuencia. Sus aplicaciones abarcan desde comunicaciones móviles, diseño sin hilos e integridad de la señal, hasta diseño y análisis de campos electromagnéticos en general. Además, esta herramienta permite una simulación electromagnética en 3D.

El programa CST Microwave Studio 9, una vez guardado, genera un archivo “.cst”, así como una carpeta con el mismo nombre del archivo donde se guardan los diferentes resultados y tablas. Para la resolución de los diferentes problemas electromagnéticos, CST Microwave Studio utiliza la

Técnica de Integración Finita (FIT), consistente en la reformulación discreta de las ecuaciones de

Maxwell en su forma integral. De esta manera, se permite la simulación de problemas reales de campos electromagnéticos, con un amplio rango de frecuencias y geometrías complejas.

El programa proporciona manuales de usuario, diversos ejemplos de diseños y una interfaz gráfica sencilla e intuitiva, que facilita el diseño. Gracias a este software, distintos sectores de las Telecomunicaciones, Defensa, Automovilismo, Medicina, Electrónica, etc, y diversas empresas multinacionales relacionadas con todos estos campos, pueden desarrollar sus productos que interactúan con campos electromagnéticos. Los resultados simulados son muy fiables al comportamiento real final.

La ventana principal del programa CST Microwave Studio 9 está dividida en cuatro partes principalmente tal y como se aprecia en la Figura 9. Estas partes se encargan de lo siguiente:

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Figura 9 – Ventana principal de inicio

- En la zona “1” se encuentran los menús principales con la totalidad de herramientas de que dispone CST Microwave para trabajar en un proyecto. También dispone de barras de herramientas de acceso rápido a las distintas funciones del programa. Son una forma muy flexible de acceder a comandos del menú usados frecuentemente.

- La zona “2” es el árbol de navegación. Es una parte esencial de la interfaz de usuario. Desde aquí se puede acceder a elementos estructurales así como resultados de simulación.

- La zona “3” es el plano de dibujo sobre el cual se dibujarán las estructuras geométricas. Este modelador te permite cambiar la posición y orientación del plano de dibujo por medio de herramientas diversas, este rasgo es lo que lo hace muy poderoso. También se visualizan los resultados gráficamente, como son el campo eléctrico o las gráficas de parámetros S.

- Y por último, en la zona “4” se encuentran dos ventanas con distintas utilidades. En la ventana de arriba se exponen las diferentes variables creadas por el usuario, con sus valores y descripción, mientras que en la ventana de abajo, se muestra la carga del proyecto y los distintos pasos de la simulación. En esta última ventana aparecerán los errores y warnings que se pudieran cometer.

3.2- PROYECTO GENERAL

En este apartado se expondrán los diferentes pasos para el diseño del proyecto principal con las distintas características utilizadas. También se analizarán los archivos generados. No ha sido

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necesario realizar macros por programación directa en este PFC ya que la nueva versión de CST permite, de una manera sencilla, la construcción del diseño por módulos, detallando las distintas características de cada uno de ellos a través de parámetros que pueden ser optimizados. Más adelante se verá que en una parte del proyecto si se ha hecho uso de código en MATLAB para obtener el valor del campo eléctrico en diferentes puntos de la muestra.

En primer lugar debemos fijar las condiciones iniciales para la posterior construcción de la macro en la pestaña Solve tal y como se muestra en la Figura 10.

Figura 10 – Pantalla con características iniciales

Entre las opciones más importantes a la hora de configurar el programa se encuentran:

- Units: fija las unidades con las que se trabaja, tanto en frecuencia, longitud, temperatura y tiempo.

- Background Material: permite elegir el material principal, que será el existente mientras que no se

construyan los diferentes módulos con sus respectivos materiales.

- Materials: define los distintos materiales que se van a utilizar para el diseño de la cavidad

multimodo. Permite tanto cargar materiales de la Library, como fabricarlos por uno mismo con las características que se deseen.

- Frecuency” se establece el rango de frecuencias en el que se quiere trabajar, que para nuestro

proyecto será en torno a los 2.45GHz.

- Boundary Condition” situamos las condiciones de contorno.

Una vez establecidas las condiciones iniciales del proyecto, pasaremos a diseñar los diferentes componentes de nuestro horno. Para formar estos componentes, CST dispone de una serie de estructuras básicas a partir de las cuales se pueden crear formas más complejas. La Figura 11 muestra una visión de los accesos directos para las distintas estructuras básicas. También se puede acceder manualmente en la pestaña ObjectsBasic shapes. Generalmente, en este proyecto la estructura más utilizada será de tipo “brick” o ladrillo.

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A la hora de definir las características de la estructura “brick” o ladrillo, como se puede observar en la ventana de Figura 12, se pueden establecer las dimensiones para los eje X, Y y Z. También se puede elegir una componente existente desde la lista o crear una nueva. En este PFC siempre será el mismo “component1” pues solo consta de un componente global donde se insertarán otras estructuras. Por último, en esta ventana se podrá elegir el material existente o definir uno nuevo material desde la lista. En este último caso se abrirá una nueva ventana. En esta se podrá especificar el nombre del material y el tipo.

Figura 12 – Menú de un rectángulo

Una vez visto cómo se define una estructura, la manera de proceder hasta alcanzar el diseño final será integrar unas estructuras con otras. Otro paso importante en el diseño se trata de dotarlo de unos puertos de entrada o salida con el fin de una posterior simulación de las ondas electromagnéticas a lo largo del diseño. Para ello, uno se dirige a la pestaña Solve  Waveguide

Ports desde el menú principal. La Figura 13 muestra el menú para cada uno de los puertos.

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Finalmente, y cuando se han situado los puertos de entrada o salida, es posible simular para observar el comportamiento de las ondas electromagnéticas que se excitarán en el puerto 1 de la cavidad y volverán reflejadas de nuevo hacia él.

Para ello CST dispone de 4 módulos de cálculo: Transient Solver, Frecuency Domain Solver,

Eigenmode Solver e Integral Equation Solver. La que se va a utilizar para optimizar en este

proyecto es Transient Solver, que se encuentra en la pestaña Solve  Transient Solver. En la Figura 14 se puede observar el menú Transient Solver con sus diferentes características:

Figura 14 – Menú Puertos

De los menús u opciones a la derecha de la Figura 14, destaca la optimización de parámetros

Optimize que será analizada más adelante y que es incorporada en la última versión. También

podemos elegir la precisión que se quiere lograr por medio de Accuracy. En el caso de este proyecto se elige -20dB para permitir acelerar las simulaciones ya de por sí extensas en el tiempo.

En la pestaña Stimulations Settings se puede especificar cual columna de la matriz S deberá ser calculada. Por consiguiente se selecciona en ¨Source type¨ el puerto para el cual el acoplamiento a todos los otros puertos será calculado durante una simulación simple. En el ejemplo, se fija el

¨Source type¨ para el puerto1, los parámetros S (S11, S21) serán calculados.

Se puede ahora iniciar la simulación presionando el botón ¨Start¨. En poco una barra de progreso aparecerá a través de la cual se visualizarán los siguientes procesos:

1. Checking model: Durante este paso, el modelo de entrada será chequeado para errores

tales como invalidar materiales superpuestos, etc.

2. Calculating matrix and dual matrix:Durante estos pasos el sistema de ecuaciones será

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3. Calculating the port modes:En este paso se calcula distribución del campo de modo de

puerto y las características de propagación así como las impedancias de los puertos. Esta información será utilizada posteriormente en el análisis de dominio del tiempo de la estructura.

4. Processing excitation:Durante esta etapa una señal de entrada será alimentada dentro del

puerto de simulación. El solucionador entonces calculará los campos de distribución resultantes en el interior de la estructura al igual que el modo de amplitudes de todos los otros puertos. Con esta información, la frecuencia dependiente de los parámetros S será calculada en un segundo paso usando una transformada de Fourier.

5. Transient field analysis: Después de que el pulso de excitación haya desaparecido, hay

aún una energía de campo electromagnético en el interior de la estructura. El solucionador entonces continúa para calcular la distribución de campo y los parámetros S hasta que la energía interior de la estructura haya decaído por debajo de cierto límite.

6.Para esta simple estructura, el análisis de entrada tomará solamente unos pocos segundos para completarse.

Después de que el solucionador haya completado el modo de cálculo de los puertos se puede tener una visión de los resultados (incluso si el transient está aún corriendo).

A fin de visualizar los resultados que nos interesan en este PFC, primeramente se tiene que elegir la solución desde el árbol de navegación o Navigation Tree. En este proyecto se trata del coeficiente

de reflexión o parámetro S11 y del campo eléctrico. Para visualizar S11, hay que seguir la siguiente

ruta 1D Results|S|dBS1,1 para visualizar la gráfica en decibelios. También se puede visualizar en lineal si se desea, en 1D Results|S|linearS1,1. En el caso del campo eléctrico la ruta es 2D/3D ResultsE-fielde-field(f=2.45)Abs.

3.2.1 – MACRO con CST

Como se verá más adelante, es necesario para la realización de nuestro proyecto conocer el valor de S11 y del campo eléctrico para cada frecuencia. Para ello CST dispone de unas herramientas muy útiles para llevar a cabo estas tareas.

En el caso de S11, desde la ruta 1D Results|S|linearS1,1, presionando el botón derecho del ratón, se abre un menú donde si pulsamos Copy, se extraerá el valor de S11 para cada frecuencia pudiéndolo guardar en cualquier documento de texto.

Por otro lado, para obtener el campo eléctrico en diferentes puntos de la muestra no se dispone de una opción tan útil como en el caso de S11 como se ha comentado anteriormente. Por este motivo para obtener el valor del campo eléctrico promedio en función de la frecuencia para cada una de las posiciones de manera que se pueda visualizar un promedio de cómo afecta el campo eléctrico a la muestra por el conjunto de las distintas posiciones del

stirrer es necesario realizar una macro.

Esta macro se puede realizar desde el propio programa CST Microwave. Para ello se puede proceder de dos formas. La primera es empezando desde cero, creándose una nueva macro en la pestaña Macros Open VBA Macro Editor e insertando todo el código desde el principio. La segunda se trata aprovechando ya nuestro diseño CST te permite transformar

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todas esas operaciones a código para la macro, rellenando únicamente nosotros el código que falta para realizar las operaciones que se desean. Para realizar esto, hay que dirigirse a la pestaña Edit  History List, se seleccionan las operaciones que se quieren pasar a código y se pulsa el botón Macro, obteniendo una macro con el código.

3.3- ESTRUCTURAS SIMULADAS

La estructura general en la que se basa este proyecto es una cavidad rectangular con aire en su interior y con un agitador de modos o stirrer el cual está sujeto a la cavidad por medio de una pieza en forma de cilindro. En el interior de la cavidad se ha colocado una muestra dieléctrica con pérdidas que será analizada para ver como se ve afectada por el campo eléctrico. En la Figura 15 se muestran todos los componentes (o módulos) que forman parte de la estructura final de nuestro proyecto y de los cuales hablaremos detalladamente a continuación.

Figura 15 – Lista de componentes

La primera gran estructura se trata de la cavidad rectangular (o aplicador), la cual está formada por dos componentes: cavidadint y metalcavidad.

“Metalcavidad” modela la pared conductora de la cavidad por lo que se ha escogido el tipo de

material metálico o PEC y se le ha dado un grosor de 2mm.

Por otro lado el objeto “Cavidadint” modela el interior de la cavidad que al estar con aire en su interior se ha escogido como material “Vacuum”. Se puede observar como el valor que se ha dado a los dos componentes en X, Y y Z están en función de las variables siguientes:

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 Lcavy: se trata de la longitud de la cavidad rectangular en el eje Y.

 Lcavz: se trata de la longitud de la cavidad rectangular en el eje Z.

Esto es así para que cuando se realice la simulación el valor vaya variando entre unos determinados valores con el objetivo de encontrar los valores más óptimos. La configuración que se ha dado a estos dos componentes se muestra en la Figura 16:

metalcavidad cavidadint

Figura 16 – Dimensiones de la cavidad rectangular

Otra estructura básica de un sistema de calentamiento por microondas, como se explicó en la parte teórica, es el tramo de guía de ondas que conecta el generador con la cavidad. Esta estructura consta de los componentes: metalguía, interiorguía y de ranura, ranura_1…..ranura_6. Sobre esta estructura es donde se ha colocado el puerto de entrada que se ha creado, en donde si se hiciera de manera real estaría colocado el analizador de redes. En la Figura 17 se aprecia donde se ha colocado exactamente el puerto de entrada.

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Al igual que en la cavidad, la guía de ondas también está formada de dos componentes que forman la estructura principal: metalguia e interiorguía. La primera se trata de la pared conductora de la guía con un espesor de 2 mm y la segunda se trata del interior relleno de aire de la guía. Para definirlos se ha usado una nuevo parámetro llamado “L1” que define a que distancia sobre el eje X va a estar posicionada la guía sobre la cavidad y que también será optimizado. Por otro lado las constantes “8.6” y “4.3” definen el ancho y la altura de la guía respectivamente. Estos dos componentes se han definido como muestra la Figura 18:

metalguía interiorguía

Figura 18 – Dimensiones de la guía de ondas

Las ranuras de la guía de onda actúan como antenas y excitan varios modos al tener varias localizaciones en las que se produce la radiación de microondas. Las dimensiones de las ranuras y su posición modifican la cantidad de energía que irradia la guía de onda. Estas ranuras están representadas por los 7 componentes ranura en el proyecto cuyas dimensiones características son las indicadas en la Figura 19:

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Un nuevo parámetro ha aparecido a la hora de definir las dimensiones de las ranuras. Se trata de “z0” que define la posición de comienzo de la ranura en el eje Z y al igual que en los casos anteriores será uno de los parámetros a optimizar. Por otro las ranuras tendrán un valor constante de 2 cm de altura por 2 cm de anchura.

Para evitar tener que repetir la misma operación para cada una de las 7 ranuras, CST Microwave permite realizar una copia del componente por medio de la opción Transform. Para ello, sobre el menú de componentes de la izquierda se pulsa el botón derecho sobre el componente, eligiendo la opción Transform. O también desde el menú en la pestaña Objetcts  Transform. Para el objetivo que se persigue, el menú se ha rellenado como muestra la Figura 20:

Figura 20 – Opción Translate

Se elige la opción Translate pues permite trasladar la figura en cualquier dirección. En este caso se quiere trasladar el componente ranura. Y se elige un factor de repetición de “6”, realzando seis copias del mismo componente con una separación entre ranuras definida por el parámetro “despz” (sobre el eje Z) el cual será también optimizado en la simulación con el objetivo de alcanzar su valor más óptimo.

Los parámetros geométricos de la siguiente estructura del diseño se muestran en la Figura 21. Se trata de la muestra dieléctrica o del material que va a recibir el calentamiento por microondas. En esta estructura, cuyo componente recibe el nombre de muestra, se estudiará cómo afecta el campo eléctrico a su volumen.